可变结构小型多旋翼无人飞行器设计与控制研究

发布时间：2017-10-23 00:04

  本文关键词：可变结构小型多旋翼无人飞行器设计与控制研究

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【摘要】：可变结构小型多旋翼无人飞行器,是指一种融合了多旋翼直升机的垂直起降和固定翼飞机的高速巡航特点的飞行器,具有无人驾驶和小型化的特点。无人机主要由机身载体系统(微控制器和多传感测量单元以及实时机载飞行记录模块等单元构成的自动驾驶控制系统)、地面站设备(无线传输单元,遥控装置,任务控制装置)以及有效载荷三部分组成。针对现有四旋翼直升机存在飞行速度低、航程短等问题,本论文以四旋翼飞行器的关键技术及相关基础研究为背景,开发一种集直升机的垂直起降与固定翼飞机的高速巡航功能于一体的变结构飞行器,该飞行器应能够达到以下目标：飞行器要具备多旋翼飞机垂直起降,多角度姿态可控的特点；所设计的飞行器能利用固定翼高速巡航,更高能效比的特点；融合直升机和固定翼飞行器的特点且具有平飞和悬停两种飞行状态的自由切换功能；开发出适用于可变结构小型多旋翼无人飞行器的控制算法,本论文主要有以下几方面内容：首先,对比固定翼飞机和多旋翼直升飞机的优缺点,重点分析现有的四旋翼飞机的结构特点、动力学模型以及采用的传感器和控制元器件,针对MEMS传感器的精度不足基于卡尔曼滤波器信号采集处理和四旋翼飞机的姿态控制算法以及现场实际的飞行情况。其次,提出了一种全新的可实现姿态与速度控制解耦的多旋翼变结构无人机的空气动力学布局,其结构特点是在四旋翼的基础上添加一对固定翼和涡扇推力电机的变结构无人飞行器,在水平飞行时机身两侧的双涵道涡扇和机翼共同向前倾斜以产生向后的推力和向上的升力。给出变结构飞行器的三维建模,开发出可变结构无人飞行器的样机,对飞行器固定翼进行流固耦合力学仿真分析。然后,着重研究变结构飞行器在悬停与平飞的相互转换过程中机体结构变化对其动态模型结构的影响,建立包含精确描述机体结构变化的完整的动态模型,探索设计布局对动态性能的影响及其与控制实现的关系,给出相应的控制算法。最后,针对现有的四旋翼飞行器的Sigmoid路径规划算法定点巡航时需要作短暂停留的不足,充分利用变结构多旋翼无人飞行器的高速巡航的特点,尝试应用飞行状态更连贯平滑的Dubins路径规划算法,给出仿真分析。
【关键词】：变结构 无人飞行器 四旋翼 固定翼 设计
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-17
• 引言17-18
• 第1章 绪论18-31
• 1.1 课题研究的背景、意义18-23
• 1.1.1 变结构无人飞行器研究背景情况18
• 1.1.2 多旋翼飞行器18-22
• 1.1.3 固定翼无人飞行器22-23
• 1.2 研究现状23-29
• 1.2.1 国外的研究动态23-28
• 1.2.2 国内研究现状28-29
• 1.3 研究意义和目标29-30
• 1.4 本论文主要工作和内容30-31
• 第2章 四旋翼无人机31-49
• 2.1 概述31-39
• 2.1.1 四旋翼无人机空间坐标表示37
• 2.1.2 欧拉角坐标变换37-38
• 2.1.3 四旋翼无人机的飞行动力学38-39
• 2.2 四旋翼无人机的控制算法39-45
• 2.2.1 四旋翼姿态控制算法40-41
• 2.2.2 四旋翼高度控制算法41-44
• 2.2.3 四旋翼水平控制算法44-45
• 2.3 四旋翼飞行器的MATLAB仿真系统45-46
• 2.4 四旋翼飞行器的软件系统46-48
• 2.5 本章小结48-49
• 第3章 变结构小型多旋翼无人飞行器设计49-70
• 3.1 固定翼的设计50-57
• 3.1.1 机翼的流体动力特性51
• 3.1.2 升力系数随攻角的变化规律51-52
• 3.1.3 选择翼型及相关参数52-54
• 3.1.4 CLARK Y翼型特性分析54-57
• 3.2 变结构小型多旋翼无人飞行器结构设计57-60
• 3.3 机翼的单向流固耦合分析60-69
• 3.3.1 流固耦合62-63
• 3.3.2 问题简述及其计算分析63
• 3.3.3 固定翼的单向流固耦合计算63-69
• 3.4 本章小结69-70
• 第4章 可变结构小型多旋翼无人飞行器动力学建模70-75
• 4.1 变结构无人机动力学建模70-74
• 4.2 本章小结74-75
• 第5章 变结构飞行器基于Dubins算法的轨迹规划75-86
• 5.1 Dubins最短路径规划算法75-77
• 5.2 变结构多旋翼无人机二维轨迹规划算法77-85
• 5.2.1 无人机的最小转弯半径77
• 5.2.2 起始圆与终止圆心坐标77-78
• 5.2.3 二维Dubins路径飞行方式的确定78-79
• 5.2.4 无人机二维Dubins路径的求解79-80
• 5.2.5 变结构无人机二维Dubins路径的长度及时间80
• 5.2.6 二维Dubins路径的切点80-81
• 5.2.7 变结构多旋翼无人机二维系统方程及路径81-82
• 5.2.8 变结构多旋翼无人机迹规划算法研究82
• 5.2.9 基于Dubins函数的变结构二维轨迹规划算法仿真结果82-85
• 5.3 本章小结85-86
• 结论与展望86-88
• 结论86-87
• 展望87-88
• 参考文献88-92
• 致谢92-93
• 作者简介及读研期间主要科研成果93

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本文编号：1080670